Optimale Tunnellüftung vorab virtuell testen
Jeder Tunnel ist ein Unikat. Oft ändert sich die Linienführung sogar noch während des Baus. Dennoch muss er schon ab Tag eins so belüftet werden können, dass im Fall eines Brandes kein Verkehrsteilnehmer zu Schaden kommt. Ein Planungsbüro entwickelte jetzt einen Tunnel-Lüftungs-Simulator, mit dem verschiedene Lüftungsszenarien im Tunnel simuliert und vorab virtuell getestet werden können.
Manchen Autofahrern ist nicht ganz geheuer, wenn sie in einen Tunnel einfahren oder sich im Tunnel ein Stau bildet. Gut zu wissen, dass Ingenieure laufend daran arbeiten, Tunnel sicherer zu machen. So beispielsweise die Experten für Tunnellüftung des Planungsbüros HBI Haerter Beratende Ingenieure. Das Unternehmen entwickelte einen Simulator, mit dem sich die Belüftung des Tunnels simulieren und virtuell testen lässt.
Sicherheit ist Prio 1
Dr. Rune Brandt, Geschäftsleiter der HBI Haerter AG, weiß um den Druck, dem seine Kunden ausgesetzt sind: „Tunnelbetreiber müssen heute sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer erfüllen. Zunehmend sind in einem Tunnel Autofahrer, Zweiradfahrer, Bahnreisende und Fußgänger unterwegs.“ Und dabei tickt die Uhr: „Unter enormen Kostendruck soll der Tunnel schnellstmöglich in Betrieb gehen“, sagt Brandt. „Nicht zu sprechen von der Tatsache, dass während des Baus womöglich die Linienführung geändert werden muss!“
Sämtliche Lüftungsszenarien simulieren
„Mit unserem Tunnel-Lüftungssimulator können wir alle Szenarien virtuell simulieren und nachahmen, die Automatisierung virtuell regeln und simulieren, wie das Lüftungssystem unter den verschiedenen Bedingungen reagiert“, sagt Brandt. Dabei testen die Ingenieure von HBI Haerter alle „vorhersehbaren und nicht vorhersehbaren Szenarien“.
„Mit unserem Tunnel-Lüftungssimulator überprüfen wir beispielsweise die Positionen der Strömungsmessgeräte, Ventilatoren und Lüftungsklappen und, wie die Belüftung bei Bränden in den verschiedenen Zonen gesteuert und immer wieder nachjustiert werden muss, damit Rauch abgeleitet und frische Luft nachfließen kann“, sagt Brandt.
Vor dem Start schon tausendfach getestet
Für die Funktionssimulation kommt im Tunnellüftungssimulator von HBI zum Beispiel der virtuelle Controller Simatic S7-PLCSIM Advanced zum Einsatz; für das Engineering das TIA Portal. Parallel zum Tunnelbau werden in dieser Kombination in einem „virtuellen Controll Center“ alle Regelungen rein virtuell getestet. Die Steuerung des Lüftungssystems ist dadurch bereits am Tag der Einweihung „ausgereift“. Die Steuerung weiß quasi bestens Bescheid und kann die Daten von jeweils drei installierten Strömungsmessungen bewerten, bei widersprüchlichen Meldungen plausibilisieren und die Belüftung in Sekunden auf neue Situationen ausrichten.
Und wenn es einmal zu einem Brand kommen sollte, wie zum Beispiel 1999 im Mont-Blanc-Tunnel, dem es an einem zuverlässigen Sicherheitssystem mangelte? Dann wird in einem Tunnel mit einem von HBI Haerter vorab virtuell getesteten Lüftungssystem die Steuerung die Lüftungsklappen punktuell öffnen, der Rauch wird nach außen geleitet und die Ventilatoren optimieren die Luftströmung, so dass frische Luft nachfließen kann. Alle Verkehrsteilnehmer können den Tunnel sicher verlassen.
Wir simulieren alle vorhersehbaren und nicht vorhersehbaren Szenarien.Dr. Rune Brandt, Geschäftsführer HBI Haerter AG
Sicherheit und Verfügbarkeit im laufenden Betrieb
Doch es geht nicht nur um Sicherheit im Fall eines Brandes. „Unsere Kunden können dank der Simulation im laufenden Betrieb auch Geld sparen, da nicht alle Lüftungssysteme auf Höchststufe laufen müssen, sondern intelligent geregelt werden“, sagt Brandt. „Außerdem kann das System vorausschauend gewartet werden, dank der Daten, die uns die Sensoren melden.“
Zusatznutzen durch die Cloud
Noch liefern die Betreiber diese Daten dafür in klassischer Art von sich aus an die Beratungsfirma. „Wenn die Daten in Echtzeit analysiert werden sollen, bietet sich MindSphere an“, sagt Brandt. Noch seien die Kunden etwas zögerlich, „aber wir beobachten die Entwicklung“.
Über die offene, cloud-basierte IoT-Plattform MindSphere könnten die anfallenden Daten analysiert und zu aussagekräftigen „Smart Data“ aufbereitet werden. Für eine höhere Verfügbarkeit, über die höhere Sicherheit des Tunnels hinaus. „Man soll ja einfach durch den Tunnel hindurchfahren – und die Fahrt genießen“, so der Tunnelexperte.
Tunnelbetreiber müssen heute sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer erfüllen.Dr. Rune Brandt, Geschäftsführer HBI Haerter AG
Die Methode des digitalen Zwillings setzt HBI Haerter auch dafür ein, um Rauch im Tunnel und auf Bahnsteigen zu simulieren und virtuell zu testen. Dazu gehört beispielsweise, wie sich Rauch im Tunnel ausbreitet, wie Frischluft in den Tunnel hineinströmt oder auch wie der Verkehr die Luftströme beeinflusst. Die Simulationsexperten setzen dafür die Software Simcenter STAR CCM+ ein.
Die Software ermöglicht es sogar, mit einer VR-Brille den Tunnel oder auch Bahnsteige (vorab) zu begehen. „Anwender können zur Visualisierung des Strömungsfeldes und der Rauch- und Temperaturschichten masselose Partikel freisetzen“, sagt Erwin Schnell, Projektleiter bei HBI Haerter. „Sie können gefahrlos zu den nächstgelegenen Ausgängen einer Bahnstation gehen und überprüfen, ob die Fluchtwege rauchfrei sind.
Die HBI ist eine Gesellschaft beratender Ingenieure. Der Schwerpunkt der Tätigkeiten liegt in der Planung, Projektierung und Ausführung von Tunnellüftungen, Immissionsgutachten, Sicherheitsfragen sowie in der Aero- und Thermodynamik von Straßen- und Bahntunneln.
Von den Büros in Bern und Zürich, beide Schweiz, und in Heidenheim, Deutschland, aus realisieren mehr als 30 Lüftungsspezialisten die Projekte, unter anderem in Australien, den USA, Schweden, der Schweiz und Deutschland.
HBI Haerter Beratende Ingenieure
Juli 2019
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